Medir el impacto de los árboles en las transmisiones 5G podría resultar vital para utilizar una nueva clase de señal.

04 de enero de 2022

A medida que la tecnología 5G se implante plenamente en los próximos años, los teléfonos móviles y otras tecnologías inalámbricas serán más potentes, con un mayor flujo de datos y una menor latencia. Pero junto a estas ventajas surge una pregunta: ¿Será su teléfono móvil de próxima generación incapaz de ver el bosque por los árboles?

Esa es una forma de describir el problema al que se enfrentan los diseñadores de redes celulares, que tienen que tener en cuenta tanto las ventajas como los inconvenientes de una nueva clase de señales que utilizará la 5G: las ondas milimétricas. Estas ondas no sólo pueden transportar más información que las transmisiones convencionales, sino que además ocupan una parte del espectro de emisión que las tecnologías de la comunicación rara vez utilizan, lo que supone una gran preocupación en una época en la que las emisoras se disputan partes del espectro como si fueran buscadores de territorio.

Sin embargo, las ondas milimétricas también tienen inconvenientes, como su limitada capacidad para atravesar obstáculos. Entre estos obstáculos están los edificios, pero también los árboles que salpican el paisaje. Hasta hace poco se sabía poco sobre cómo afectaban los árboles a la propagación de las ondas milimétricas. Y del mismo modo que pocos querríamos imaginar un paisaje sin vegetación, pocos diseñadores podrían planificar redes en torno a ella sin un detalle fundamental tan crucial.

El Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) se ha propuesto resolver este problema midiendo el efecto de los árboles en las ondas milimétricas. El esfuerzo podría suponer una profunda diferencia en la capacidad de nuestros dispositivos de próxima generación para ver las antenas 5G que pronto podrán brotar.

La era del 5G incluirá la comunicación inalámbrica no solo entre personas, sino también entre dispositivos conectados al Internet de los objetos. El aumento de la demanda de mayores descargas por parte de los clientes de telefonía móvil y la respuesta de la red sin retrasos por parte de los jugadores ha impulsado a la industria inalámbrica a buscar una comunicación más rápida y eficaz. No sólo nuestros dispositivos y servicios actuales podrían funcionar más eficazmente, sino que podríamos realizar otros nuevos: Los vehículos autónomos dependerán de esa rápida respuesta de la red para funcionar.

“Podremos hacer cosas nuevas si nuestras máquinas pueden intercambiar y procesar información de forma rápida y eficaz”, afirma Nada Golmie, jefe de la División de Redes Inalámbricas del Laboratorio de Tecnología de las Comunicaciones del NIST. “Pero se necesita una buena infraestructura de comunicaciones. La idea es conectarse, procesar los datos en un lugar y hacer cosas con ellos en otro”.

Las ondas milimétricas, que son un nuevo terreno para la industria inalámbrica, podrían ser parte de la solución. Sus crestas de onda están separadas por apenas unos milímetros, una distancia muy corta comparada con las ondas de radio, que pueden medir varios metros. Y sus frecuencias son muy altas, entre 30 y 300 gigahercios, es decir, mil millones de crestas de onda por segundo. En comparación con las transmisiones de radio convencionales, que se sitúan en el rango de los kilohercios (para la AM) y los megahercios (para la FM), las nuevas señales de la 5G tendrán una frecuencia muy alta, algo así como el piar de un pájaro en el rango superior de la audición humana, comparado con los bajos profundos de la radio.

La alta frecuencia de las ondas milimétricas es lo que las hace tentadoras como portadoras de datos y también difíciles de aprovechar. Por un lado, un mayor número de crestas de onda por segundo significa que las ondas pueden transportar más información, y nuestra era hambrienta de datos ansía esa capacidad para proporcionar esas descargas y respuestas de red más rápidas. Por otro lado, las ondas de alta frecuencia tienen problemas para atravesar los obstáculos. Cualquiera que haya pasado cerca de una casa o de un coche cuyos ocupantes estén poniendo música de baile a todo volumen sabe que lo que más llega al exterior son las palpitantes frecuencias de los bajos, no los agudos de una melodía soprano.

Para las redes 5G, el muro que obstruye no puede ser más que una hoja de roble. Por esa razón, los científicos del NIST se embarcaron en una tarea un tanto inusual en septiembre de 2019: instalaron equipos de medición cerca de árboles y arbustos de diferentes tamaños alrededor del campus de la agencia en Gaithersburg, Maryland. El estudio se prolongó durante meses, en parte porque necesitaban una perspectiva estacional.

“El estudio de los árboles es uno de los pocos que se realizan para analizar el efecto del mismo árbol en una determinada frecuencia de señal a lo largo de diferentes estaciones”, explica Golmie. “No podíamos hacer el estudio sólo en invierno, porque las cosas habrían cambiado en verano. Resulta que incluso la forma de las hojas afecta a si una señal se refleja o pasa”.

El equipo colaboró con la comunidad inalámbrica para desarrollar el equipo móvil necesario para realizar las mediciones. Los investigadores lo enfocaron en árboles individuales y dirigieron hacia ellos señales de ondas milimétricas desde una serie de ángulos y posiciones, para simular ondas procedentes de distintas direcciones. Midieron la pérdida, o atenuación, en decibelios. (Cada 10 dB de pérdida es una reducción por una potencia de 10; una atenuación de 30 dB significaría que la señal se reduce por un factor de 1.000).

Para un tipo de árbol frondoso, la ortiga europea, la atenuación media en verano era de 27,1 dB, pero se relajaba a 22,2 dB en invierno cuando el árbol estaba desnudo. Los árboles de hoja perenne bloquean más la señal. Su atenuación media era de 35,3 dB, una cifra que no cambiaba con la estación.

(Como medida de comparación, el equipo también examinó diferentes tipos de materiales de construcción. Las puertas de madera, las paredes de cartón-yeso y los cristales interiores mostraron pérdidas de hasta 40,5 dB, 31,6 dB y 18,1 dB, respectivamente, mientras que los materiales de construcción exteriores mostraron pérdidas aún mayores, de hasta 66,5 dB).

Aunque las contribuciones del NIST al esfuerzo de desarrollo de la red 5G podrían acabar siendo tan omnipresentes como los propios árboles, para la mayoría de nosotros serán considerablemente menos visibles. Las mediciones realizadas por el equipo están destinadas principalmente a las empresas que crean modelos de cómo afectan los distintos objetos a las ondas milimétricas. Parte del esfuerzo fue una colaboración con Ansys Inc. La empresa utilizó los datos de las mediciones que el NIST compartió con ella para afinar los modelos de simulación de árboles, que las empresas de telefonía celular utilizan para planificar con detalle sus redes de antenas.

“La mayoría de los modelos no incluyen información basada en mediciones sobre los árboles”, explica David Lai, del NIST, uno de los científicos que realizó el estudio. “Se limitan a decir que, para una determinada forma de árbol, debemos esperar una determinada cantidad de pérdida de señal. Queremos mejorar sus modelos proporcionando datos de propagación precisos basados en mediciones.”

La colaboración del NIST con Ansys ha contribuido a las directrices publicadas por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), la organización que elabora las normas de telecomunicaciones. Los resultados aparecen ahora como una nueva sección sobre árboles en la Recomendación UIT-R P.833-10 de la UIT. Esta publicación sirve de referencia para los modelos de propagación de señales, que otros desarrollarán.

“Nuestro objetivo es poner estas mediciones a disposición de toda la comunidad inalámbrica“, dijo Golmie. “Esperamos que este esfuerzo ayude a todo el mercado”.